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平行流交叉口延误计算及信号配时鲁棒优化模型

宋浪 王健 杨滨毓 安实 安文娟

宋浪, 王健, 杨滨毓, 安实, 安文娟. 平行流交叉口延误计算及信号配时鲁棒优化模型[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007
引用本文: 宋浪, 王健, 杨滨毓, 安实, 安文娟. 平行流交叉口延误计算及信号配时鲁棒优化模型[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007
SONG Lang, WANG Jian, YANG Binyu, AN Shi, AN Wenjuan. A Robust Optimization Model of Delay Estimation and Signal Timing for Parallel Flow Intersection[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007
Citation: SONG Lang, WANG Jian, YANG Binyu, AN Shi, AN Wenjuan. A Robust Optimization Model of Delay Estimation and Signal Timing for Parallel Flow Intersection[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 64-73. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007

平行流交叉口延误计算及信号配时鲁棒优化模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007
基金项目: 

重庆市技术创新与应用发展专项重点项目 CSTB2022TIAD-KPX0104

重庆市自然科学基金项目 CSTB2023NSCQ-MSX0387

国家重点研发计划项目 2022YFF0604904

详细信息
    作者简介:

    宋浪(1996—),博士研究生. 研究方向:交通控制、智能交通. E-mail: lang_song@qq.com

    通讯作者:

    王健(1974—),博士,教授. 研究方向:交通运输规划与管理. E-mail: wang_jian@hit.edu.cn

  • 中图分类号: U491.5

A Robust Optimization Model of Delay Estimation and Signal Timing for Parallel Flow Intersection

  • 摘要: 为解决平行流交叉口在实际应用中因交通波动导致主预信号协调效果不佳、移位左转车道上车辆排队溢出等问题,研究了基于情景的鲁棒优化控制方法。通过解析平行流交叉口交通运行机理,确定了交通需求、饱和流率和运行车速的随机波动会影响其运行稳定性,以此关联时变交通供给与平行流交叉口控制的耦合特征。进而构建了车均延误平均值-标准差目标函数,利用权重系数直观反映决策者对通行效率和稳定性偏好程度。在此基础上,考虑主预信号协调控制、车道功能划分、车道清空等约束条件,建立了平行流交叉口鲁棒优化模型。结合移位左转车道上车辆运行规则,基于车辆到达-驶离图式推导给出延误计算模型。研究结果表明:延误模型仿真验证中,左转和直行车均延误相对误差绝对值的平均值不超过3%,且最大值不超过6%,拟合效果较好。案例分析中,鲁棒优化相对于确定性优化,在延误均值仅增加2.24%的情况下,延误标准差降低了21.23%,说明鲁棒优化在几乎不损失交叉口通行效率的前提下,提高了平行流交叉口运行稳定性,使信号控制更符合实际交通运行需要。敏感性分析中,目标函数值随移位左转车道长度、设计速度的增加呈先减后增的变化趋势,故设计阶段移位左转车道长度的取值应与交通需求相匹配,而主预信号直行相位差计算过程中设计速度的取值应比现场调查的实际运行速度平均值略大。

     

  • 图  1  平行流交叉口几何设计

    Figure  1.  Geometric design of parallel flow intersection

    图  2  相位方案

    Figure  2.  Phase schemes

    图  3  各流向到达-驶离图式

    Figure  3.  Arrival and departure scheme of all directions

    图  4  鲁棒优化控制流程图

    Figure  4.  Robust optimized control flow chart

    图  5  随权重系数γ变化分析

    Figure  5.  Change analysis of weight γ

    图  6  优化控制方案

    Figure  6.  Optimal control scheme

    图  7  随移位左转车道长度变化分析

    Figure  7.  Change analysis of left-turn lane length

    图  8  随设计速度变化分析

    Figure  8.  Change analysis of design speed

    表  1  延误计算模型检验误差

    Table  1.   Test error of delay calculation model

    交通需求/(pcu/h) 运行速度/(km/h) 相对误差绝对值/%
    平均值 最大值
    左转 直行 左转 直行
    4 000 25 2.87 0.64 5.01 1.23
    30 2.65 0.97 4.52 2.4
    35 1.95 2.68 3.84 3.51
    5 000 25 2.9 1.22 5.24 2.36
    30 2.94 2.1 5.89 3.89
    35 1.69 2.43 2.82 4.02
    金桥路-张杨路交叉口调查数据 25 2.97 1.74 5.45 2.68
    30 2.89 2.36 5.93 4.31
    35 2.12 2.53 3.48 4.57
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    表  2  现场调查数据

    Table  2.   Field survey data

    转向 交通需求/(pcu/h) 饱和流率/(pcu/h) 车道数
    平均值 标准差 最小值 最大值 平均值 标准差 最小值 最大值
    W-左转 210 20 181 248 1 500 126 1 250 1 750 2
    W-直行 502 56 390 619 1 550 140 1 310 1 830 2
    W-右转 700 130 420 980 1 500 126 1 250 1 750 1
    S-左转 387 52 282 496 1 490 124 1 240 1 740 2
    S-直行 500 66 370 637 1 500 128 1 250 1 750 2
    S-右转 302 28 230 360 1 490 128 1 240 1 740 1
    E-左转 432 35 360 505 1 540 123 1 300 1 780 2
    E-直行 1 002 90 820 1 180 1 600 138 1 320 1 880 4
    E-右转 443 60 322 560 1 540 123 1 300 1 780 1
    N-左转 369 55 249 485 1 580 110 1 360 1 800 1
    N-直行 601 90 410 798 1 620 120 1 380 1 860 3
    N-右转 240 30 180 300 1 600 100 1 370 1 800 1
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    表  3  基础参数

    Table  3.   Basic parameters

    参数 取值 参数 取值 参数 取值
    Cmin 60 s gmin 20 s gmink 20 s
    Cmax 120 s gmax 60 s gmaxk 60 s
    υ'i2 7.5 m/s tij 1.2 s I 4 s
    σij 6 m/pcu Ymax 0.9
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    表  4  2种方法结果对比

    Table  4.   Result comparison of two methods

    控制方法 指标 延误均值 延误标准差 延误最小值 延误最大值
    确定性优化 延误/s 20.12 1.56 17.78 26.89
    鲁棒优化 20.57 1.23 18.54 25.55
    二者对比 变化率/% 2.24 -21.23 4.24 -4.96
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  • 收稿日期:  2022-09-19
  • 网络出版日期:  2024-01-18

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